Summary
En klinisk handhållna photoacoustic imaging system kommer att demonstreras för realtid noninvasiv små djur avbildning.
Abstract
Översättning av photoacoustic imaging till kliniken är en stor utmaning. Handhållen realtid kliniska photoacoustic bildsystem är mycket sällsynta. Vi rapporterar här, en kombinerad photoacoustic och kliniska ultraljud imaging system genom att integrera en ultraljudssond med ljus leverans för små djur avbildning. Vi visar detta genom visar sentinel lymfkörtel imaging i små djur tillsammans med minimalinvasiv realtid nål vägledning. En klinisk ultraljud plattform med tillgång till raw channel data tillåter integration av photoacoustic imaging leder till en handhållen realtid kliniska photoacoustic imaging system. Metylenblått användes för sentinel lymfkörtel imaging 675 nm våglängd. Dessutom visades nål vägledning med dubbla modala ultraljud och photoacoustic imaging använder imaging system. Djup avbildning av upp till 1,5 cm visades med 10 Hz laser på en photoacoustic imaging bildfrekvens på upp till 5 bilder per sekund.
Introduction
För att upptäcka och stadieindelning av cancer finns olika avbildningstekniker. Några av de utbredda avbildningsmetoder är magnetisk resonanstomografi (MRT), röntgen datortomografi (CT), röntgen, ultraljud (oss), positronemissionstomografi (PET), fluorescens imaging, etc.1,2, 3 , 4. men, några av de befintliga imaging teknikerna är antingen invasiv, har skadlig strålning eller är långsamma, dyra, skrymmande eller ovänliga till patienter. Således finns det ett konstant behov av att utveckla nya, snabba och kostnadseffektiva avbildningstekniker för diagnostik och terapi5.
Photoacoustic imaging (PAI) är en framväxande imaging teknik, som kombinerar rik optiska kontrast ultraljud med hög upplösning på en djupare imaging djup5,6,7,8, 9. I PAI används en kort laserpuls för vävnad bestrålning. Ljuset blir absorberas av vävnaden vilket leder till en liten temperaturstegring. Följd av termoelastisk expansion genereras tryckvågorna (i form av Akustiskt vinkar) inom vävnaden. Det genererade akustiska vinkar (även känd som photoacoustic (PA) vågor) förvärvas med en wideband ultraljud givare (UST) utanför gränsen som vävnad. Dessa förvärvade PA signaler kan användas för att rekonstruera PA bilder, avslöjar den strukturella och funktionella informationen inuti vävnaden. PAI har ett brett spektrum av applikationer, inklusive: blodkärl imaging, sentinel lymfkörtel imaging, vaskulatur hjärnavbildning, tumör imaging, molekylär imaging, etc.10,11,12, 13,14,15 PAI har många tillämpningar på grund av dess fördelar, nämligen: djupare genomträngningsdjupet, bra rumslig upplösning och hög mjukvävnad kontrast. Kontrasten i PAI kan vara endogena från blod, melanin, etc. När endogena kontrasten inte är tillräckligt stark, som exogena kontrastmedel organiska färgämnen, nanopartiklar, kvantprickar, etc.16,17,18,19, 20 , 21 kan användas för att förbättra kontrasten.
Även om PAI har många fördelar i förhållande till andra avbildningstekniker, är kliniska översättning fortfarande en mycket stor utmaning. De viktigaste begränsningarna är skrymmande beskaffenhet lasrar som används, de flesta av de låter som används för datainsamling är inte kompatibla med klinisk US system och icke-tillgängligheten av kommersiellt tillgängliga kliniska US bildsystem som ger tillgång till raw channel data. Kommersiella kliniska amerikanska maskiner med tillgång till rådata har nyligen blivit tillgängliga22. I detta arbete vill vi demonstrera genomförbarheten av PAI med en handhållen set-up med en klinisk US-plattform. Vi syftar till att visa detta genom att visa icke-invasiv avbildning av sentinel lymfkörtlar (SLNs) i en liten djurmodell.
Invasiv bröstcancer tumörer är en av de ledande orsakerna till dödsfall i cancer bland kvinnor. Diagnostisera och Förproduktion bröstcancer tidigt är avgörande för att bestämma behandlingsstrategier, som spelar en viktig roll i prognosen för patienten. För bröstcancer används cancer mellanlagringsplatsen sentinel lymfkörteln biopsier (SLNB) är oftast23,24. SLN är den primära lymfkörteln där möjligheten att hitta cancerceller är högst på grund av metastaser. SLNBs involvera injicera ett färgämne eller ett radioaktivt spårämne, följt av styckning öppna området med ett litet snitt och sedan hitta SLN visuellt vid färgämnen eller med hjälp av en geigermätare, vid ett radioaktivt spårämne. Efter identifiering, några SLN tas bort för histopatologiska studier24,25. Positiv SLNB indikerar att tumören har spridit till närliggande lymfkörtlar och kanske till andra organ. Negativa SLNB visar att sannolikheten för metastaser är försumbar26. SLNB har många komplikationer i samband med det som arm domningar, lymfödem, etc.27 att eliminera SLNB associerade komplikationer, en icke-invasiv bildteknik behövs.
För SLN mappning i små djur och människor, har PA imaging undersökts i stor utsträckning med hjälp av olika kontrast agenter15,28,29,30,31 , 32. men de system som används för närvarande kan inte användas i kliniska scenario som påpekade tidigare. Ett annat bekymmer tas upp är det kirurgiska ingreppet som är inblandade i SLNB28. Anpassa minimalt invasiva ingrepp för fin nål aspiration biopsi behövdes (FNAB) för att minska återhämtningstiden och biverkningar av patienterna. I detta arbete, en klinisk US-system användes för kombinerade USA och PA imaging användes. För enkel användning i kliniska inställningar, en anpassad gjort handhållna hållare för bostäder optisk fiber och UST utformades. Metylenblått (MB) användes för att identifiera och kartlägga SLNs. Dessutom för att eliminera komplikationer i samband med SLNB operationen, icke-invasiv realtid nål spårning demonstreras också.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
alla djurförsök utfördes enligt de godkända riktlinjer och förordningar av utskottet för institutionella djur vård och användning av Nanyang Technological University, Singapore (djur protokollnummer ARF-SBS / Nie-A0263).
1. handhållen Real-time kliniska PA och oss Imaging System
- schematiskt av den handhållna kliniska PAI system 33 visas i figur 1a. Den består av en optisk parametrisk oscillator (OPO) laser pumpas genom en frekvens fördubblad nanosekund pulsad nd: YAG pump laser, en tvåspetsnitar optisk fiber bunt ( figur 1b), en skräddarsydd 3D tryckta handhållna sonden innehavaren ( figur 1 c) 33, kliniska dubbla modala USA och PA system och ett kliniskt kompatibel linjär array UST (se tabell för material).
- Köra programvaran från tillverkaren i det kliniska amerikanska systemet genom att klicka på ikonen för programvaran från skrivbordet.
- Från pekskärmen, Välj den ' forskning ' knappen för att driva det amerikanska systemet i forskning-läge. Klicka på den kombinerade USA och PA imaging skriptet från listan skript och klicka på knappen Kör för imaging i det kombinera läget.
- Synkronisera klinisk US systemet med laser med hjälp av laser utlösaren ut eller en fotodiod.
Obs: Anslut fast sync ut från lasern till amerikanska systemet sync i. Se till att ge positiv Transistor-transistor logic (TTL) signal som sync signal. En fotodiod signal kan också användas för sync ändamål. Det amerikanska systemet sync i är ansluten till fotodiod detektorn med hjälp av en fotodiod bias modul. När lasern är på ger fotodioden en signal att utlösa och synkronisera både laser och det amerikanska systemet. Utföra detta steg varje gång. - Aktivera laser, växla på växelström och vrid nyckeln åt vänster på laser controller. Starta lasern efter att upprepning är 10 Hz (F10 kommer att visas på displayen) och Q-switch förseningen är så låg som 170 µs att säkerställa låga laser energi. Ställ fördröjningen genom att trycka på select-knappen tills du ser förseningen värde och öka det till 170.
Obs: Lasern tar ca 20 min att varma upp - Öppna programvarugränssnitt på en dator och i goto menyn anger våglängden som 675 nm och tryck på den ' start ' för att ställa in våglängden på 675 nm.
Obs: Lasern kan ställas in från 670 till 2 500 nm, men det är instabil på 670 nm. - Tryck på avtryckaren och aktivera lasern med växeln för att justera laserstrålen till fibern ingång.
- Använder en 1 tum (2.5 cm) diameter plano-konvex lins brännvidd 15 mm, fokusera laserstrålen till fiber bunten så att allt ljus faller på fiber input slutet.
Obs: Optisk fiber har 1 600 små fibrer sammanförs. Det är tvåspetsnitar i mitten med två rektangulära utdata ändar som har 800 optiska fibrer varje. 800 fibrerna packas i ett område med 0,1 x 4 cm, för att matcha med måtten på UST. Core diametern på varje optisk fiber är 185 µm, med en numerisk bländare på 0,22. - Stänga av lasern efter uppriktning.
- Från the 4 sond innehavare med olika vinklar av belysning (0°, 5°, 10° och 15°) välja lämpliga sondhållaren baserat på programmet (djup Imaging, storleken på objektet, objektets form, och placeringen av objektet).
Obs: Sonden innehavarna var utformade och 3D tryckta i labbet. Den har tre platser, två för de tvåspetsnitar optiska fibrerna och det centrala för UST. Dimensionen av sondhållaren baserades på dimensionerna av optisk fiber och UST. Monte Carlo-simuleringar gjordes för att studera ljus belysning krävs för imaging SLNs på större djup. SNR var högre på lägre djup för en belysning av 15 ° 33. - Passar tvåspetsnitar optisk fiber i 3D tryckta sondhållaren på en ljus infallsvinkel på 15˚.
- In UST i mitten facket innehavarens.
Obs: Figur 1 d visar ett fotografi av sondhållaren med optisk fiber och UST. Den linjära array UST har 128 matriselement. Center frekvens UST är 8,5 MHz och fraktionerad bandbredden är 95%. Längden på UST är 3,85 cm. Men systemet har endast 64 parallell data-förvärv maskinvara och kräver två laser pulser för att samla in data från alla 128 element. Därför systemet effektiv bildfrekvens är halva pulsen upprepning av laser, vilket är 5 stommen per andra 34. - Justera avståndet mellan UST och fiber slutet till 1 cm genom att lossa skruvarna på sidan och dra åt den efter justering det exakta avståndet.
Obs: Parametrarna optimeras för SLN imaging med simulering och phantom experiment 33. UST kan säkras med de två skruvarna på sondhållaren. Detta ger flexibilitet att variera avståndet mellan den optiska fibern och UST. - Switch på laser och se till att få en rektangulär laserstråle plats framför UST.
- Switch OFF lasern. Öka den laser energin (genom att öka fördröjningen) till önskat värde för syftet imaging.
Obs: Hänvisa till manualen för den maximala fördröjning som kan ställas in för nd: YAG laser. Önskad fördröjning för detta system för SLN imaging var värdet 210.
2. Upplösning karakterisering
- ta kommersiellt tillgängliga kyckling vävnad plattan och skär den i en 6 x 6 cm 2 platta. Med hjälp av en kniv skär den i 0,5 cm tjocka skivor.
- Placera ett point-objekt, som en 23 G nål med 0.6 mm diameter, ovanpå kyckling bröstvävnad.
- Switch på lasern.
Försiktighet: Skyddsglasögon bör användas vid arbete med laser för återstoden av protokollet. Ett undantag var gjort under justeringsprocessen, sedan laser energi var svag. - Ta PA bilder av nålen på olika djup genom att stapla flera kyckling bröst vävnad skivor med tjocklek 0,5 cm one-by-one upp till 3 cm. Använd U.S. gel mellan kycklingbröst vävnad skikt att förbättra oss koppling.
- Spara och lagra avbildningarna som beam-bildade som .mat fil.
- Stänga av lasern.
- Bearbeta data med intern kod med hjälp av bildbehandling programvara 17.
Obs: För att avgöra den axiella och lateral resolutionen, hitta funktionen point-spread från normaliserade PA signalerna längs de respektiva riktningarna och anpassa dem till en Gaussisk fördelning funktion 17. Få full bredd halv högst. För att få funktionen punkt spridning, krävs det att bild en punkt. Dock finns det ett annat sätt att få en punkt sprida funktion när imaging en Punktmarkering är svårt (som i vårt fall, för en mycket liten Punktmarkering signalen är ganska liten och därför använder vi ett något större mål). Om målet är stor, istället för att direkt få punkt sprida funktion, kan man få en kant sprida funktion. Sedan genom att ta första derivatan av funktionen kanten sprids, kan man få funktionen punkt spridning. Därför är det inte absolut nödvändigt att använda en Punktmarkering för att beräkna den resolution 22.
3. Djur inför SLN Imaging
< p class = ”jove_contältet ”> Obs: den handhållna kliniska bildsystem som beskrivs ovan visades för imaging litet djur SLN. För experiment uppbringades 6-8 vecka-gamla friska, kvinnliga råttor (NTac:Sprague Dawley, 220 ± 30 g). Honråttor används eftersom förekomsten av bröstcancer hos hanråttor är mindre frekvent. Hanråttor kan dock även användas för studierna. Dessutom i litteraturen, honråttor används mer allmänt för av SLN imaging.- Rat anesthetization
- innan imaging, söva råtta med anestesi lösning, som innehåller en cocktail av ketamin (100 mg/mL), xylazin (20 mg/mL) och injicerbara koksaltlösning på en andel av 2:1:1. Tillsätt 0,2 mL av cocktailen per 100 g av djurens vikt till en steril kirurgiska 1 mL spruta med nål (27G, ½ tums).
- Kragen i nacken av tjalla för hand och desinfektera den rät-nedre kvadranten av buken med en spritsudd. Injicera anestesi lösning i djurens kroppen.
- Se till att djuret är bedövat genom att kontrollera för reflex på tå nypa.
- För SLN imaging, ta bort hår från regionen av intresse försiktigt med kommersiellt tillgängliga hårborttagningskräm. Använd så mycket som krävs för att täcka området helt. Ta bort krämen med en våt bomullstuss efter 3-5 min ansökan. För att förhindra ögon från torrhet och oavsiktlig laser skador, tillämpa konstgjord tår salva.
- Plats blå underpad på bordet och placera djuret i sidled på den. Administrera inandning anestesi genom en Kona (0,75% av isofluran tillsammans med syre (1,2 L/min)) för att bibehålla djuret under anestesi under experiment. Klipp pulsoximeter till hind tass av råttan att övervaka hjärtfrekvens och perifera syremättnad i hela experiment.
Obs: Kontrollera att djuret är varm med en värmedyna som godkänts för användning av djur.
4. In Vivo SLN Imaging av råttor
- före imaging, applicera 0,5 till 1 mL US gel på huden med hjälp av en spruta och sprida den väl med en applikator. Placera en 0,5 cm tjock kycklingbröst vävnad bit av storleken 6 x 6 cm på området imaging och applicera mer US gel på kyckling vävnad att förbättra kopplingen.
Obs: LNs ligger under huden (inom 2-3 mm) hos råttor. I människor, LNs är på ett djup av 1 cm. därför, kyckling vävnad placeras i området imaging i råtta att efterlikna det mänskliga imaging scenariot. Alternativt vävnad härma fantomer kan användas i stället för kyckling vävnad. - Switch på laser. Placera handhållna sondhållaren på toppen av chicken vävnad och scan it (flytta hållaren för höger till vänster) i kombinerade USA och PA läge.
Obs: Området av laserstrålen är ungefär 3 cm 2 och fluence beräknas till cirka 8 mJ/cm 2, vilket är mindre än ANSI American National Standards Institute () gränsvärdet (20 mJ/cm 2) 35 . Imaging djupet är inställd på 2 cm i klinisk US systemet. Skyddsglasögon ska bäras på alla tider när lasern är påslagen. - Inställd imaging djup på 2 cm för PA imaging.
- Erhålla en kontroll bild av regionen av intresse, ovanför den främre benet i området bröstkorg, genom att flytta handhållna sonden från sida till sida innan injektion av kontrastmedel.
Obs: Alla data sparas i balk-bildade data typ för vidarebearbetning. - Injicera 0,2 mL av kontrastmedel, (dvs MB (10 mg/mL)) i framtassen djuret och massera det bra för 2 min att underlätta kontrast agent rörligheten till lymfkörtlarna genom lymfkärlen.
- Scan efter 5 min med handenheten sonden längs kyckling vävnaden att lokalisera SLN med hjälp av PA signalen.
Obs: Alla ramar sparas i balk-bildade datatypen. - Klicka på den ' frysa ' knappen från kontrollerna i den amerikanska systemet och klicka på den ' Exportera markerade bildrutor ' knappen från den touch skärmen exportera inspelade data.
Obs: Data kan lagras i olika format nämligen lättbalk bestående, genomsökning konverteras, kanal och IQ - Lägga till 2 fler lager av 0,5 cm tjock kyckling vävnad skivor ovanpå djuret taget och lokalisera SLN för att demonstrera genomförbarheten av djup imaging upp till 1,5 cm.
- Efter imaging, ta bort alla kyckling vävnad skivor
- Stänga av lasern.
5. PA spektroskopi av SLN
- Placera en 0,5 cm tjock kycklingbröst vävnad skiva på råttan.
- Ange våglängden av laseren som 670 nm med hjälp av programvara.
- Switch på laser. Skanna med sond längs kyckling bröstvävnaden på området för att lokalisera SLN med hjälp av PA signalen.
- Håll sonden stabilt efter att identifiera SLN.
- På laser tuning programvara som tillhandahålls, ange våglängden som 800 nm i laser programvara, ange hastigheten som 10 nm/s och klicka på den ' start ' knappen.
Obs: Detta kommer att variera våglängd från 670 nm till 800 nm med en hastighet av 10 nm/s. Våglängdsområdet att varieras beror på absorptionsspektrum av det kontrastmedel används. MB har en skarp topp omkring 670 nm. - Observera ändringen i PA signal med våglängd förändring.
- Stänga av lasern.
- Ta bort kyckling vävnad slice.
6. Realtid nål Tracking använder PAI
- plats en 0,5 cm tjock kycklingbröst vävnad skiva på djuret. Ställ in våglängden till 675 nm.
- Switch på laser. Flytta sonden att lokalisera och identifiera SLN på skärmen med hjälp av PA signalen.
- Realtid nål spårning
- injicera 23 G nål, mått 0,6 x 32 mm 2, parallell till UST genom kyckling vävnaden in i djuret att nå SLN, samtidigt leder det i realtid på klinisk US Systemövervakaren.
- Efter experiment, stänga av lasern. Ta bort kyckling vävnaden och pulse oximeter från djuret och flytta djuret till en arbetsbänk. Rengör den ultraljud gel på råtta med bomull våtservetter.
- Placera djuret på dess sängkläder och övervaka det tills det återfår medvetandet.
- Tillbaka djuret till sin bur efter dess beteende är normalt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1: Systembeskrivning. (a) Schematisk bild av PAI systemet med dubbla modala kliniska amerikanska systemet. OPO - optisk parametrisk oscillator, av - optisk fiber bunt, FH - fiber hållare, USM - klinisk US maskin. Innehavaren av en fiber integrerar två utgång optisk fiber paket och UST. Anestesi maskinen levererar isofluran och syre används för att hålla djuret under anestesi under experimenten. (b) fotografi av tvåspetsnitar optisk fiber. Jag / P input slutet av fibern och O/P anger de två utgång ändarna av fibern. (c) fotografi av innehavaren fiber med tre kortplatser, två för optisk fiber och en för UST. (d) fotografi av UST och av ändarna fast i hållaren fiber. (e) axiell resolution kännetecknas på olika djup räknat från full bredd halv högst. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
För att karakterisera den axiella och laterala resolutionen imaging systemet, användes en nål 0,6 mm diameter. PA signalen längs den axiella och laterala riktningen var ritade och monterade på en Gaussisk fördelningsfunktionen. Full bredd vid halv maximal beräknades på olika djup av 1 cm, 1,5 cm, 2 cm, 2,5 cm och 3 cm. Tomten för axiell upplösning visas i figur 1e. Den axiella resolutionen beräknades till 207 ± 45 µm. Laterala resolutionen begränsas av elementet tonhöjden för UST. Teoretiskt, den laterala upplösningen är 300 µm, vilket är elementstorleken av UST. Den laterala resolution beräknas från förvärvade PA bilden av nålen var 351 µm.
MB är ett livsmedel och Drug Administration (FDA) godkänt färgämne för SLN imaging och används kliniskt för SLNB. MB har därför använts för noninvasiv avbildning av SLN med PAI i stor utsträckning. En optimal våglängd av 675 nm bestämdes baserat på de optiska spektrum och begränsningar av den laser tunability36. Figur 2a visar ett fotografi av regionen rakade av tjalla för SLN imaging. Den röda streckade linjen visar den ungefärliga bildplanen för kombinerade USA och PA imaging. Alla kombinerade PA och USA bilderna som visas är skärmdumpar tagna från klinisk US Systemövervakaren. Figur 2b visar den kombinerade USA och PA bilden före injektion av MB. Det kan noteras att det finns ingen PA signal i bilden. Från USA, kan bilder av lymfkörtlarna identifieras, men endast av ett tränat öga som kontrasten är mycket dålig. Dessutom med vanligt US bilder, inte kan SLN skiljas från andra lymfkörtlar. Figur 2 c visar den kombinerade USA och PA bilden efter MB injektion. Från denna bild, SLN mycket lätt kan identifieras på grund av den starka PA signalen från MB i SLN.
Figur 2: SLN identifiering. (a) fotografi rakad imaging region råtta för SLN imaging, den röda streckade linjen visar den ungefärliga planet B-scan USA samt PAI; (b) kombinerade USA och PA bilden före MB injektion, (c) kombinerade USA och PA bilden efter MB injektion. Skalstapeln på X- och Y-axeln representerar samma längd. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Realtid PA spektroskopi kan göras med den kliniska PA imaging system av varierande våglängd av laseren medan imaging. MB har en kraftig absorption topp omkring 670 nm. Så, av varierande våglängd från 670 nm till 800 nm, PA signalen från SLN försvinner långsamt. Figur 3a -c visar SLN på 670 nm, 700 nm och 800 nm, respektive.
Figur 3: Real-time PA spektroskopi. (a) SLN på 670 nm, (b) SLN 700 nm, (c) SLN 800 nm. Skalstapeln på X och Y-axeln representerar samma längd. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
SLNs ligger vanligen mellan 1-2 cm djup från ytan av huden hos människor. I små djur, kan SLN hittas precis under huden. Därför, för att efterlikna en mänsklig SLN imaging scenario, kyckling bröstvävnad placerades på toppen av hudytan hos råtta. Dessutom, för att visa djup imaging, tjockleken på kyckling bröstvävnad ökas i steg om 0,5 cm upp till har 1,5 cm. upp till 1,5 cm djupa imaging observerats med aktuella inställningar. Imaging djupet kan förbättras ytterligare med högre laser energi.
Figur 4: realtid nål vägledning. (a) US-bild som visar nålen vägledning präglas av den gula pilen, (b) skärmdump av kombinerade oss och PA bilden visar nålen vägledning för SLN fylld med MB. Skalstapeln på X och Y-axeln representerar samma längd. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Icke-invasiv identifiering, tillsammans med FNAB av SLN, kommer att minska komplikationer i samband med SLNB kirurgi. Ultraljud är den vanligaste tekniken för nål vägledning tills nu37. Men kontrasten av amerikanska är mycket dålig att visualisera nål vägledning i vävnad. Icke-invasiv, realtid nål vägledning för biopsi av SLN med PAI visas här. Figur 4a visar bilden av nålen vägledning av US imaging endast in SLN. Det är uppenbart att kontrasten som tillhandahålls av oss är inte bra och måste ett tränat öga att spåra och styra nålen rätt. Figur 4b visar den kombinerade USA och PA bilden av nålen vägledning i vivo. Med PA imaging, kontrasten erhållits från nålen är mycket hög och enkelt kan övervakas och spåras i vivo. Film S1 visar videon av PA imaging i vivo nål spårning. När nålen når SLN, kan en liten del av SLN vävnad tas för ytterligare Histologisk undersökning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
För närvarande är kostnaden för screening, diagnos och behandling av cancer mycket hög. Det finns olika imaging metoder som används för cancerscreening och diagnos. Många av dessa bildgivande tekniker har dock begränsningar inklusive skrymmande maskinstorlek, invasiv diagnostik, ovänlighet patienter, för dyrt, kravet på joniserande strålning, eller användning av radioaktivt kontrastmedel. Därför är en effektiv, kostnadseffektiv, realtid imaging och vägledande system välbehövligt. Kombinerade USA och PA bildbehandling är en teknik som kan användas för effektiv, icke-invasiv screening, diagnos och stadieindelning av cancer. Kliniska PA imaging kan göras mer genomförbart med FDA godkända kontrastmedel såsom MB. Som PA imaging är en icke-invasiv förfarande, eliminerar det komplikationer relaterade till SLNB kirurgi.
Det finns vissa utmaningar som behöver uppmärksamhet innan kliniska PAI blir framgångsrika. För det första har storleken på den laser som används för PAI göras mer kompakt. De är stora, tunga, och kräver ofta en optisk tabell att hysa dem. De är också känsliga för mycket små förändringar i anpassning, därav inte bärbar för klinisk användning. Liten Diodlasrar avkastning mycket låg ström jämfört med skrymmande OPO lasrar och är ofta inte avstämbara. Nyligen, bärbara OPO lasrar har gjorts tillgängliga. Detta kan kraftigt lösa problemet med portabilitet. För det andra, integrationen av ljus leverans med US sonden med hög ljus koppling effektivitet är en utmanande uppgift. Liten Diodlasrar har integrerats inom UST själv. Men kraften är mycket lägre och kräver anpassade gjort modifieringar i de låter vilket gör det ännu dyrare38. Effektiv yttre koppling mellan ljus och UST behöver göras. För det tredje, tillgängligheten av en kommersiell klinisk US imaging system för PAI med tillgång till raw kanaldata och kompatibla låter för datainsamling. Nyligen, sådana system har blivit tillgängliga kommersiellt.
Andra mindre utmaningar är att öka effektiv bildbehandling bildfrekvensen. Detta är för närvarande begränsad av pulsfrekvensen upprepning av laser. De flesta OPO lasrar har en upprepning puls av upp till 200 Hz. pulsad Diodlasrar har en mycket högre pulsfrekvens upprepning av några kHz. Användningen av dessa lasrar hjälper att förbättra ramen imaging Betygsätt betydligt34. Tillgängligheten av mycket få FDA godkänt kontrastmedel (som MB) är också en annan begränsning för kliniska PAI. En hel del forskning genomförs i att hitta och testa olika kontrastmedel för PAI. Andra mindre aspekter måste också beaktas när de utför handhållna PA imaging. Vi använder en handhållen sond på djuret, blir det några fel på grund av rörelse av händerna vid hantering av innehavaren. Största omsorg bör vidtas för att minimera detta fel. Också, samtidigt visar realtid nål spårning, positionering nålen exakt i-plan till mitten av UST är mycket avgörande för att erhålla maximal PA signalen från nålen och spåra det framgångsrikt. Genom att övervinna alla dessa utmaningar, PAI kan vara en livskraftig kliniska avbildningsverktyg för utbredd applikationer (cell organeller till organ) inklusive avbildning av blodkärl, hjärnan kärlsystemet, tumörer, SLN, urinblåsan och cirkulerande tumörceller.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inga relevanta ekonomiska intressen i manuskriptet och inga andra potentiella intressekonflikter avslöja.
Acknowledgments
Författarna vill erkänna det ekonomiska stödet från den Tier 1-forskningsbidrag som finansieras av undervisningsministeriet i Singapore (RG48/16: M4011617) och Tier 2 forskningsbidrag finansieras av undervisningsministeriet i Singapore (ARC2/15: M4020238). Författarna vill erkänna Dr Rhonnie Österrike Dienzo för hans hjälp med djurhantering.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Q-switched Nd:YAG laser | Continuum | Surelite | Pump laser |
| Optical parametric oscillator | Continuum | OPO laser | |
| Clinical ultrasound imaging system | Alpinion | E-CUBE 12R | Dual modal ultrasound and photoacoustic imaging system |
| Linear array ultrasound transducer | Alpinion | L3-12 | 128 element linear array transducer with centre frequency of 8.5 MHz, fractional bandwidth of 95%, |
| Bifurcated optical fiber | CeramOptec | Custom made | To couple the light from the laser to the handheld fiber holder |
| Lens | Thorlabs | LB1869 | Focus light from the laser to the optical fiber |
| Ultrasound gel | Progress/parker acquasonic gel | PA-GEL-CLEA-5000 | Acoustic coupling |
| Image Processing software | Mathworks | Matlab | Home made program using Matlab |
| Anesthetic Machine | medical plus pte ltd | Non-Rebreathing Anaesthesia machine with oxygen concentrator. | Supplies oxygen and isoflurane to animal |
| Pulse Oxymeter portable | Medtronic | PM10N with veterinary sensor | Monitors the pulse oxymetry of the animal |
| Animal distributor | In Vivos Pte Ltd, Singapore | Animal distributor that supplies small animals for research purpose. | |
| Breathing mask | Custom made | Used along with animal holder to supply anesthesia mixture to the animal | |
| chicken breast tissue | Pasar | Used to add depth to mimic human imaging scenario | |
| 23G needle | BD Precisionglide | 23G,1 and half inch | Used for realtime needle guidance |
| Holder for the fiber optic cable | Custom made | To hold the input end of the bifurcated cable | |
| Handheld probe | Custom made 3D printed | With two slots for the two output ends of the optical fiber and one slot for the ultrasound transducer | |
| Methylene blue (10 mg/mL) | Sterop | Contrast agent for PA imaging | |
| Laser tuning software | Surelite OPO PLUS | SLOPO | Software to tune the wavelength of OPO laser |
| Photodiode | Thorlabs | SP05/M | To detect the laser pulse to trigger the ultrasound system |
| Photodiode bias module | Thorlabs | PBM42 | To amplify the photodiode signal to tigger ultrasound signal |
| Depilatory cream | Reckitt Benckiser | Veet | Used to remove hair from the imaging area |
| Laser power meter | Ophir | Starlite, p/n: 7Z01565 | Used to measure the laser power |
References
- Yun, S. H., Kwok, S. J. Light in diagnosis, therapy and surgery. Nat. Biomed. Eng. 1, 0008 (2017).
- Tseng, J., et al. Clinical accuracy of preoperative breast MRI for breast cancer. J. Surg. Oncol. , (2017).
- Baran, P., et al. Optimization of propagation-based x-ray phase-contrast tomography for breast cancer imaging. Phys. Med. Biol. 62 (6), 2315 (2017).
- Huzarski, T., et al. Screening with magnetic resonance imaging, mammography and ultrasound in women at average and intermediate risk of breast cancer. Hered. Cancer Clin. Pract. 15 (1), 4 (2017).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041006 (2017).
- Wang, L. V., Yao, J. A practical guide to photoacoustic tomography in the life sciences. Nat. Methods. 13 (8), 627-638 (2016).
- Wang, L. V., Gao, L. Photoacoustic microscopy and computed tomography: from bench to bedside. Annu Rev Biomed Eng. 16, 155-185 (2014).
- Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. 1 (4), 602-631 (2011).
- Yao, J., Wang, L. V. Photoacoustic tomography: fundamentals, advances and prospects. Contrast Media Mol Imaging. 6 (5), 332-345 (2011).
- Hai, P., et al. Label-free high-throughput detection and quantification of circulating melanoma tumor cell clusters by linear-array-based photoacoustic tomography. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041004 (2017).
- Upputuri, P. K., Kalva, S. K., Moothanchery, M., Pramanik, M. Pulsed laser diode photoacoustic tomography (PLD-PAT) system for fast in vivo imaging of small animal brain. Proc Spie. , 100645O (2017).
- Fakhrejahani, E., et al. Clinical report on the first prototype of a photoacoustic tomography system with dual illumination for breast cancer imaging. PLoS One. 10 (10), e0139113 (2015).
- Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
- Pan, D., et al. Molecular photoacoustic imaging of angiogenesis with integrin-targeted gold nanobeacons. FASEB J. 25 (3), 875-882 (2011).
- Erpelding, T. N., et al. Sentinel Lymph Nodes in the Rat : Noninvasive Photoacoustic and US imaging with a clinical US system. Radiology. 256 (1), 102-110 (2010).
- Gawale, Y., et al. Carbazole-Linked Near-Infrared Aza-BODIPY Dyes as Triplet Sensitizers and Photoacoustic Contrast Agents for Deep-Tissue Imaging. Chem. Eur. J. 23 (27), 6570-6578 (2017).
- Sivasubramanian, K., et al. Near Infrared light-responsive liposomal contrast agent for photoacoustic imaging and drug release applications. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041007 (2017).
- Huang, S., Upputuri, P. K., Liu, H., Pramanik, M., Wang, M. A dual-functional benzobisthiadiazole derivative as an effective theranostic agent for near-infrared photoacoustic imaging and photothermal therapy. J. Mater. Chem. B. 4 (9), 1696-1703 (2016).
- Huang, S., Kannadorai, R. K., Chen, Y., Liu, Q., Wang, M. A narrow-bandgap benzobisthiadiazole derivative with high near-infrared photothermal conversion efficiency and robust photostability for cancer therapy. Chem. Comm. 51 (20), 4223-4226 (2015).
- Wu, D., Huang, L., Jiang, M. S., Jiang, H. Contrast Agents for Photoacoustic and Thermoacoustic Imaging: A Review. Int. J. Mol. Sci. 15 (12), 23616-23639 (2014).
- Pramanik, M., Swierczewska, M., Green, D., Sitharaman, B., Wang, L. V. Single-walled carbon nanotubes as a multimodal-thermoacoustic and photoacoustic-contrast agent. J. Biomed. Opt. 14 (3), 034018 (2009).
- Kim, J., et al. Programmable Real-time Clinical Photoacoustic and Ultrasound Imaging System. Sci. Rep. 6, 35137 (2016).
- McMasters, K. M., et al. Sentinel lymph node biopsy for breast cancer: a suitable alternative to routine axillary dissection in multi-institutional practice when optimal technique is used. J. Clin. Oncol. 18 (13), 2560-2566 (2000).
- Krag, D., et al. The sentinel node in breast cancer - a multicenter validation study. N. Engl. J. Med. 339 (14), 941-946 (1998).
- Borgstein, P. J., Meijer, S., Pijpers, R. Intradermal blue dye to identify sentinel lymphnode in breast cancer. The Lancet. 349 (9066), 1668-1669 (1997).
- Ung, O. A., South, N., Breast, W., Hospital, W. Australasian Experience and Trials in Sentinel Lymph Node Biopsy: The RACS SNAC Trial. Asian J. Surg. 27 (4), 284-290 (2004).
- Purushotham, A. D., et al. Morbidity after sentinel lymph node biopsy in primary breast cancer: results from a randomized controlled trial. J. Clin. Oncol. 23 (19), 4312-4321 (2005).
- Kim, C., et al. Handheld array-based photoacoustic probe for guiding needle biopsy of sentinel lymph nodes. J. Biomed. Opt. 15 (4), 046010 (2010).
- Garcia-Uribe, A., et al. Dual-Modality Photoacoustic and Ultrasound Imaging System for Noninvasive Sentinel Lymph Node Detection in Patients with Breast Cancer. Sci. Rep. 5, 15748 (2015).
- Kim, C., Song, K. H., Gao, F., Wang, L. V. Sentinel Lymph Nodes and Lymphatic Vessels: Noninvasive Dual-Modality in Vivo Mapping by Using Indocyanine Green in Rats-Volumetric Spectroscopic Photoacoustic Imaging and Planar Fluorescence Imaging. Radiology. 255 (2), 442-450 (2010).
- Pan, D., et al. Near infrared photoacoustic detection of sentinel lymph nodes with gold nanobeacons. Biomaterials. 31 (14), 4088-4093 (2010).
- Song, K. H., Kim, C., Cobley, C. M., Xia, Y., Wang, L. V. Near-infrared gold nanocages as a new class of tracers for photoacoustic sentinel lymph node mapping on a rat model. Nano Lett. 9 (1), 183-188 (2009).
- Sivasubramanian, K., Periyasamy, V., Wen, K. K., Pramanik, M. Optimizing light delivery through fiber bundle in photoacoustic imaging with clinical ultrasound system: Monte Carlo simulation and experimental validation. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041008 (2017).
- Sivasubramanian, K., Pramanik, M. High frame rate photoacoustic imaging at 7000 frames per second using clinical ultrasound system. Biomed. Opt. Express. 7 (2), 312-323 (2016).
- Laser Institute of America. American National Standard for Safe Use of Lasers. ANSI Standard Z136.1-2007. , NY. (2007).
- Prahl, S. Tabulated molar extinction coefficient for methylene blue in water. , Available from: http://omlc.ogi.edu/spectra/mb/mb-water.html (2016).
- Chapman, G. A., Johnson, D., Bodenham, A. R. Visualisation of needle position using ultrasonography. Anaesthesia. 61 (2), 148-158 (2006).
- Daoudi, K., et al. Handheld probe integrating laser diode and ultrasound transducer array for ultrasound/photoacoustic dual modality imaging. Opt. Express. 22 (21), 26365-26374 (2014).
